EP0833470A2 - Method of frame synchronization - Google Patents
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- EP0833470A2 EP0833470A2 EP97113422A EP97113422A EP0833470A2 EP 0833470 A2 EP0833470 A2 EP 0833470A2 EP 97113422 A EP97113422 A EP 97113422A EP 97113422 A EP97113422 A EP 97113422A EP 0833470 A2 EP0833470 A2 EP 0833470A2
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- H04L27/32—Carrier systems characterised by combinations of two or more of the types covered by groups H04L27/02, H04L27/10, H04L27/18 or H04L27/26
- H04L27/34—Amplitude- and phase-modulated carrier systems, e.g. quadrature-amplitude modulated carrier systems
- H04L27/38—Demodulator circuits; Receiver circuits
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- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
- H04J3/00—Time-division multiplex systems
- H04J3/02—Details
- H04J3/06—Synchronising arrangements
- H04J3/0602—Systems characterised by the synchronising information used
- H04J3/0605—Special codes used as synchronising signal
- H04J3/0608—Detectors therefor, e.g. correlators, state machines
Definitions
- the invention relates and is based on a method to determine the timing of a synchronization sequence in a received data stream (frame synchronization) according to the preamble of the main claim.
- a frame synchronization method of this type is known (James L. Massey: “Optimal Frame Synchronization", IEEE Trans. On Comm., Vol.Com.20, Apr. 1972, pp. 115-119 and R. Mehlan, H. Meyr: “Optimal Frame Synchronization For Asynchronous Packet Transmission ", ICC 1993 in Geneva, Vol.2 / 3, pp. 826-830).
- These used only Frame synchronization methods have the disadvantage that before the actual frame synchronization, a clock, Carrier and phase synchronization can be performed got to. Carrier and phase synchronization without first performed frame synchronization and thus without Knowledge of the data sequence is only possible with so-called Non-data-aided (NDA) process possible.
- NDA Non-data-aided
- This task is based on a process Preamble of the main claim by its characterizing Features resolved.
- FIG. 1 schematically shows the processing on the transmitter side in general for linear modulation methods.
- several m bits of the serial data stream to be transmitted are combined in a series / parallel converter 1 to form a complex complex symbol a v of higher value.
- the compact signal space comprises M elements.
- mapper 2 complex symbol values with real part a I, v and imaginary part a Q, v are generated in mapper 2, which are then added to the high-frequency signal to be transmitted by the carrier frequencies of a carrier generator 3, which are 90 ° out of phase with each other.
- a delay of half a symbol period T s / 2 must also be carried out in the quadrature branch before the modulation.
- Fig. 2 shows the associated quadrature receiver.
- the sampling rate must be chosen so large that the sampling theorem is fulfilled.
- the oversampling factor is given accordingly the ratio of sampling frequency to symbol rate.
- the oscillator 6 is not based on the Carrier frequency and carrier phase readjusted, but the oscillator 6 is in its frequency a maximum permissible deviation of 50 percent of the symbol rate exactly on the transmitter side Carrier frequency set.
- the clock generator 7 is not regulated in its phase, only that Clock frequency is set to the value of the corresponding modulation method. The Subsequent further processing takes place in the arrangement 8, its function and mode of operation is described below.
- FIG. 3 shows the transmission model described with reference to FIGS. 1 and 2 in the equivalent baseband representation.
- the starting point is the digital complex Dirac sequence weighted with the symbols to be transmitted
- the transmission signal s ( t ) is obtained by
- the frequency offset ⁇ f and phase offset ⁇ ⁇ which is unknown between the transmitter and the receiver, is taken into account by multiplying it with the rotary pointer e j (2 ⁇ ⁇ ft + ⁇ ) .
- the time offset ⁇ T s unknown to the receiver compared to the ideal sampling times is realized by the following system block.
- the values ⁇ are in the range -0.5 ⁇ ⁇ ⁇ 0.5
- the delayed transmission signal is disturbed on the transmission path by additive white Gaussian noise (AWGN) n ( t ), and the reception signal r ( t ) is generated.
- the real part n I ( t ) and the imaginary part n Q ( t ) have the two-sided power density spectrum (LDS) N 0/2 and are statistically independent of each other.
- LDS power density spectrum
- the average power of the transmitted signal s ( t ) results since the expected value is time-dependent and periodic with T s .
- the average symbol energy of the transmission signal is also calculated
- FIG. 4 shows the synchronization concept with the input sequence x v from FIG. 3. This sequence is used for clock synchronization with subsequent compensation with the estimated time offset - ⁇ ⁇ T s .
- the clock synchronization takes place without knowledge of the transmitted symbols (non-data-aided) and is not critical. After subsampling by the oversampling factor ov , only the sample values r v are available at the symbol instants free of intersymbol interference. In the offset method, the delay must be canceled by half the symbol period before the subsampling.
- the frame synchronization derived below can be carried out either by the non-timing-compensated sequence x v or by the sequence r v that is only present at the symbol times .
- the frame synchronization by the non-timing-compensated sequence x v may be necessary, for example, if a TDMA system is present and only the burst that is not yet known in terms of time may be used for timing estimation.
- the remaining deviation from the symbol time (maximum half a sampling period) is then estimated and reversed by the clock synchronization.
- the procedure for the sequence r v is derived.
- the derived method is also valid for the non-timing-compensated sequence x v .
- the main difference is that because of the still unknown symbol time, the sync sequence does not have to be searched for in the symbol grid, but in the scanning grid.
- the length of the sync sequence is S symbols.
- the sync sequence begins after ⁇ symbol periods after the time zero.
- the task of frame synchronization is to determine this temporal position, which is not known in the receiver.
- the sequence x v in FIG. 4 is used to estimate the clock phase from the unknown standardized time offset ⁇ .
- the clock synchronization method is feedback-free and known (K. Schmidt: Digital clock recovery for bandwidth-efficient mobile radio systems, thesis, Inst. For communications engineering, Darmstadt, Dec. 1993 and Oerder: Algorithms for digital clock synchronization for data transmission, Chair of Electrical Control, Aachen, 1989) .
- the estimated time shift ⁇ ⁇ T s (the roof is generally used for estimates) is then reversed by an interpolation filter. Subsequently, an oversampling by the oversampling factor ov is made and the symbols r still appear in the sequence r v .
- Basic considerations on compensation can be found in (K. Schmidt: "Digital Clock Recovery for Bandwidth-Efficient Mobile Radio Systems", Dissertation, Inst. For Communication Technology, Darmstadt, Dec. 1993 and Kammeyer: “News Transmission”, Teubner-Verlag, Stuttgart, 1992).
- v rest describes according to the v region of the vector r outside the assumed sync sequence with the random symbols a v .
- the test parameters are provided with a snake and estimation parameters with a roof. In the following steps, the agreement is reached that all thermal baths that are irrelevant to the process are set to one without defining a new function.
- the first therm in GI. (1) is simplified and given GI. ( 2 )
- the random sequence a v is not known for the second therm in Eq. (1), which is why the expected value for this sequence must also be formed:
- E s / N 0 >> 1 is assumed.
- GI. (3) can be used for the actual frequency and phase offset approach. Since the random sequence a v is not known, the estimated value
- the log-likelihood function is obtained by inserting the GIn. (2,4) in GI. (1) and subsequent logarithmization To get the same summation limits for the two thermal baths, for simplification, on the right-hand side of GI. (5), the constant independent of the estimation parameters is used expands and thus receives the log likelihood function according to GI.
- the differential decoding of the receive sequence is shown in FIG. 6 .
- this restriction does not apply to the following algorithm if a v is a differentially coded sequence, because then dsync 0 is known. This fact is illustrated again in FIG. 7 .
- the rule in GI. (10) also applies to the non-timing-compensated sequence.
- the factor ov in the index is necessary because only samples are used at intervals of the symbol period.
- the index ⁇ is necessary because the log-likelihood function must not be evaluated in the symbol grid, but in the scanning grid. The consequence of this is that the signal processing effort increases by a factor of ov .
- the estimated frequency value results from an estimated ⁇ ⁇ from GI. (9):
- the log-likelihood function becomes maximum if the real part expression of GI. (9) is purely real and positive.
- the frequency estimate results from GI. ( 11 ) with corr ( ⁇ ⁇ ) from GI. (9).
- the frequency offset to be estimated can be both positive and negative. Consequently, the argument in Eq. (11) in the sense of a clear determination must not exceed phase ⁇ . This gives the theoretically permissible frequency offset of
- Eq. (11) is not the optimal estimate.
- the maximum likelihood estimator for modulation methods can also be used
- 1 can be implemented using a calculation rule that is only somewhat more complex.
- the basis for the calculation is known from the literature (Jack K. Wolf, Jay W. Schwartz: "Comparison of Estimators for Frequency Offset", IEEE Trans. On Comm., 1990, Pg. 124-127).
- the phase is not averaged, but a pointer.
- This planar filtering has the advantage that at
- phase averaging With phase averaging, on the other hand, an "outlier" caused by disturbances would render the estimated value unusable.
- 0.5 be allowed. Furthermore, pointer averaging has the advantage that arithmetic-intensive argument formation is only necessary once. The calculation rule results from GI. ( 12 ) with the coefficients
- the noise variance in MPSK increases by a factor of 2, which corresponds to a signal-to-noise ratio loss of 3 dB. Since the performance of the frame synchronization essentially depends on the ratio of the energy of the sync sequence to the noise power density according to E sync / N 0 and is generally large, this loss is only a problem for transmission links with an extremely low signal-to-noise ratio and a short sync sequence.
- the eye pattern of the correlation therm is shown in Eq. (10), ie by omitting the second therm it is not even the optimal method.
- the frame synchronization was carried out by the non-timing compensated sequence x v .
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft und geht aus von einem Verfahren zum Bestimmen der zeitlichen Lage einer Synchronisationsfolge in einem empfangenen Datenstrom (Rahmensynchronisation) laut Oberbegriff des Hauptanspruches.The invention relates and is based on a method to determine the timing of a synchronization sequence in a received data stream (frame synchronization) according to the preamble of the main claim.
Ein Rahmensynchronisationsverfahren dieser Art ist bekannt (James L. Massey: "Optimum Frame Synchronization", IEEE Trans. on Comm., Vol.Com.20, Apr. 1972, pp. 115-119 und R. Mehlan, H. Meyr: "Optimum Frame Synchronization For Asynchronous Packet Transmission", ICC 1993 in Genf, Vol.2/3, pp. 826-830). Diese ausschließlich verwendeten Rahmensynchronisationsverfahren besitzen den Nachteil, daß vor der eigentlichen Rahmensynchronisation eine Takt-, Träger- und Phasensynchronisation durchgeführt werden muß. Eine Träger- und Phasensynchronisation ohne vorher durchgeführter Rahmensynchronisation und damit ohne Kenntnis der Datenfolge ist nur mit sogenannten Non-Data-Aided (NDA)-Verfahren möglich. Bei der Übertragung von höherstufigen MQAM-Signalen beträgt bei solchen NDA-Verfahren die theoretisch zulässige Frequenzabweichung zwischen Sender und Empfänger 12,5 % der Symbolrate, bei MPSK sogar nur 1/M, · 50 %. Bei TDMA-Übertragungen darf eventuell nur der eigene Burst zur Takt-, Phasen- und Trägersynchronisation verwendet werden und hierbei besteht bei Anwendung der bekannten Rahmensynchronisationsverfahren das weitere Problem, daß die zeitliche Lage des Bursts aufgrund der noch nicht durchgeführten Rahmensynchronisation nicht bekannt ist und erst durch zusätzliche Hilfsmittel bestimmt werden muß.A frame synchronization method of this type is known (James L. Massey: "Optimal Frame Synchronization", IEEE Trans. On Comm., Vol.Com.20, Apr. 1972, pp. 115-119 and R. Mehlan, H. Meyr: "Optimal Frame Synchronization For Asynchronous Packet Transmission ", ICC 1993 in Geneva, Vol.2 / 3, pp. 826-830). These used only Frame synchronization methods have the disadvantage that before the actual frame synchronization, a clock, Carrier and phase synchronization can be performed got to. Carrier and phase synchronization without first performed frame synchronization and thus without Knowledge of the data sequence is only possible with so-called Non-data-aided (NDA) process possible. When transferring of higher-level MQAM signals for such NDA method the theoretically permissible frequency deviation between transmitter and receiver 12.5% of the symbol rate, at MPSK even only 1 / M, · 50%. For TDMA transmissions possibly only your own burst for clock, phase and Carrier synchronization can be used and there is using the known frame synchronization method the further problem is that the timing of the burst due to the frame synchronization not yet carried out is not known and only through additional aids must be determined.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für alle linearen Modulationsverfahren zur Bestimmung der zeitlichen Lage einer Symbolfolge in einem empfangenen Datenstrom aufzuzeigen, das diese Nachteile vermeidet.It is an object of the invention to provide a process for everyone linear modulation method for determining the temporal Location of a symbol sequence in a received data stream to show that avoids these disadvantages.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.This task is based on a process Preamble of the main claim by its characterizing Features resolved.
Vorteilhafte Weiterbildungen insbesondere auch bezüglich einer einfachen Berechnung der Trägerfrequenzabweichung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous further developments, particularly with regard to a simple calculation of the carrier frequency deviation result from the subclaims.
Durch die erfindungsgemäß gewählten Bedingungen für die Anwendung der an sich bekannten Maximu-Likelihood-Theorie wird es möglich, die Rahmensynchronisation unmittelbar aus der empfangenen Datenfolge noch vor der Träger- und Phasensynchronisation durchzuführen und zwar entweder noch vor oder nach der Taktsynchronisation. Damit ist für die nachfolgenden Verfahrensschritte wie Taktsynchronisation oder Träger- und Phasensynchronisation die zeitliche Lage der Synchronisationsfolge bereits bekannt und damit werden die beim MQAM-Verfahren bzw. TDMA-Verfahren erwähnten obigen Nachteile vermieden. Dies hat zur Folge, daß die theoretisch zulässige Frequenzabweichung für alle linearen Modulationsverfahren 50 % der Symbolrate betragen darf.Due to the conditions chosen according to the invention for the Application of the Maximu likelihood theory known per se it becomes possible to synchronize the frame immediately from the received data sequence before the carrier and Perform phase synchronization either before or after clock synchronization. So that is for the subsequent process steps such as clock synchronization or carrier and phase synchronization the temporal Location of the synchronization sequence already known and this means that the MQAM process or TDMA process avoided above disadvantages. As a consequence, that the theoretically permissible frequency deviation for all linear modulation methods are 50% of the symbol rate may.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. The invention is described below with the aid of schematic drawings explained in more detail using exemplary embodiments.
Fig. 1 zeigt schematisch die senderseitige Aufbereitung allgemein für lineare Modulationsverfahren.
Hierbei werden in einem Serien/Parallelwandler 1 mehrere m-Bit des zu übertragenden seriellen
Datenstroms zu einem höherwertigen komplexen Symbol av zusammengefaßt. Der kompexe
Signalraum umfaßt M Elemente. In dem Mapper 2 werden auf diese Weise komplexe Symbolwerte
mit Realteil aI,v und Imaginärteil aQ,v erzeugt, die anschließend durch die um 90° gegeneinander
phasenverschobenen Trägerfrequenzen eines Trägergenerators 3 zu dem zu übertragenden
Hochfrequenzsignal addiert werden. Bei Offset-Modulationsverfahren muß im Quadraturzweig
zusätzlich vor der Modulation eine Verzögerung um eine halbe Symbolperiode Ts/2 vorgenommen
werden. 1 schematically shows the processing on the transmitter side in general for linear modulation methods. In this case, several m bits of the serial data stream to be transmitted are combined in a series /
Fig. 2 zeigt den zugehörigen Quadraturempfänger. Das empfangene Hochfrequenzsignal wird wieder
in zwei Mischern 4 und 5 mit den um 90° gegeneinander phasenverschobenen
Überlagerungsfrequenzen eines Trägeroszillators 6 ins Basisband heruntergemischt und
anschließend werden die Basisbandsignale mittels eines Taktgenerators 7, dessen Taktfrequenz
Im Gegensatz zu den rückgekoppelten Demodulationsverfahren wird der Oszillator 6 nicht auf die
Trägerfrequenz und Trägerphase nachgeregelt, sondern der Oszillator 6 ist in seiner Frequenz mit
einer maximal zulässigen Abweichung von 50 Prozent der Symbolrate genau auf die senderseitige
Trägerfrequenz eingestellt. Auch der Taktgenerator 7 wird nicht in seiner Phase geregelt, nur die
Taktfrequenz ist auf den Wert des entsprechenden Modulationsverfahrens eingestellt. Die
nachfolgende Weiterverarbeitung erfolgt in der Anordnung 8, deren Funktion und Wirkungsweise
nachfolgend beschrieben wird.In contrast to the feedback demodulation method, the oscillator 6 is not based on the
Carrier frequency and carrier phase readjusted, but the oscillator 6 is in its frequency
a maximum permissible deviation of 50 percent of the symbol rate exactly on the transmitter side
Carrier frequency set. The clock generator 7 is not regulated in its phase, only that
Clock frequency is set to the value of the corresponding modulation method. The
Subsequent further processing takes place in the
Fig. 3 zeigt das anhand der Fig. 1 und 2 geschilderte Übertragungsmodell in der äquivalenten Basisbanddarstellung. Ausgangspunkt ist die zu übertragende digitale komplexe mit den Symbolen gewichtete Diracfolge FIG. 3 shows the transmission model described with reference to FIGS. 1 and 2 in the equivalent baseband representation. The starting point is the digital complex Dirac sequence weighted with the symbols to be transmitted
Dieses Signal läßt sich darstellen als die Summe zweier mit den Symbolwerten aI,v , aQ,v gewichteter
Diracimpulse zu den Zeiten
Das Sendesignal s(t) erhält man durch The transmission signal s ( t ) is obtained by
Der zwischen Sender und Empfänger unbekannte Frequenzversatz Δf und Phasenversatz Δ Φ wird durch eine Multiplikation mit dem Drehzeiger ej (2πΔft+ΔΦ) berücksichtigt.The frequency offset Δ f and phase offset Δ Φ, which is unknown between the transmitter and the receiver, is taken into account by multiplying it with the rotary pointer e j (2 π Δ ft + ΔΦ) .
Der im Empfänger unbekannte Zeitversatz εTs gegenüber den idealen Abtastzeitpunkten wird durch
den nachfolgenden Systemblock realisiert. Die Werte ε liegen dabei in dem Bereich
Das verzögerte Sendesignal wird auf der Übertragungsstrecke durch additives weißes Gaußsches
Rauschen (AWGN) n(t) gestört, es entsteht das Empfangssignal r(t). Das Rauschsignal ist gemäß
Fig. 4 zeigt das Synchronisationskonzept mit der Eingangsfolge xv von Fig. 3. Diese Folge wird zur
Taktsynchronisation mit anschließender Kompensation mit dem geschätzten Zeitversatz -
ε ∧Ts
verwendet. Die Taktsynchronisation erfolgt ohne Kenntnis der übertagenen Symbole (Non-Data-Aided)
und ist unkritisch. Nach Unterabtastung um den Oversampling-Faktor ov liegen nur noch die
Abtastwerte rv zu den intersymbolinterferenzfreien Symbolzeitpunkten vor. Bei den Offset-Verfahren
muß vor der Unterabtastung die Verzögerung um die halbe Symbolperiode rückgängig gemacht
werden. Die nachfolgend hergeleitete Rahmensynchronisation kann entweder von der nicht
timingkompensierten Folge xv oder von der nur zu den Symbolzeitpunkten vorliegenden Folge rv
vorgenommen werden. Die Rahmensynchronsation durch die nicht timingkompensierten Folge xv
kann z.B erforderlich sein, wenn ein TDMA-System vorliegt und zur Timing-Schätzung
nur der in der
zeitlichen Lage noch nicht bekannte Burst verwendet werden darf. Bei Rahmensynchronisation mit xv
wird die noch verbleibende Abweichung vom Symbolzeitpunkt (maximal eine halbe Abtastperiode)
anschließend durch die Taktsynchronisation geschätzt und rückgängig gemacht.
Wegen der einfacheren Nomenklatur wird die Herleitung des Verfahrens für die Folge rv durchgeführt.
Das hergeleitete Verfahren ist ebenso für die nicht timingkompensierte Folge xv gültig. Der
wesentliche Unterschied besteht darin, daß wegen des noch unbekannten Symbolzeitpunktes die
Sync-Folge nicht im Symbolraster, sondern im Abtastraster gesucht werden muß. Bei
Rahmensynchronisation durch die Folge xv liegt die Folge nicht exakt zum Symbolzeitpunkt vor und
es entsteht ein zusätzlicher Fehler durch Intersymbolinterferenzen. Deshalb sollte in diesem Fall der
Oversampling-Faktor mindestens
Because of the simpler nomenclature, the procedure for the sequence r v is derived. The derived method is also valid for the non-timing-compensated sequence x v . The main difference is that because of the still unknown symbol time, the sync sequence does not have to be searched for in the symbol grid, but in the scanning grid. With frame synchronization by the sequence x v , the sequence is not exactly at the symbol time and an additional error occurs due to intersymbol interference. In this case, therefore, the oversampling factor should be at least
Fig. 5 zeigt die Einbettung der Sync-Folge syncv in der übertragenen Symbolfolge av . Die Länge der Sync-Folge beträgt S Symbole. Die Sync-Folge beginnt nach µ Symbolperioden nach den Zeitnullpunkt. Die Aufgabe der Rahmensynchronisation besteht darin, diese im Empfänger nicht bekannte zeitliche Lage zu bestimmen. Die Sync-Folge ist im Empfänger bekannt. In Fig. 4 wird bespielhaft µ = 2 gezeigt. Im Empfänger beginnt die Verarbeitung zum Zeitnullpunkt. Zur Rahmensynchronisation werden R Abtastwerte der Folge rv ausgewertet. Es wird im weiteren vorausgesetzt, daß die Länge R des Empfangsvektors r so groß gewählt wird, daß eine vollständige Sync-Folge enthalten ist. 5 shows the embedding of the sync sequence sync v in the transmitted symbol sequence a v . The length of the sync sequence is S symbols. The sync sequence begins after µ symbol periods after the time zero. The task of frame synchronization is to determine this temporal position, which is not known in the receiver. The sync sequence is known in the receiver. 4, µ = 2 is shown as an example. Processing in the receiver begins at the time zero. R sample values of the sequence r v are evaluated for frame synchronization. It is further assumed that the length R of the reception vector r is chosen to be large enough to contain a complete sync sequence.
Die Folge xv in Fig. 4 wird zur Taktphasenschätzung von dem unbekannten normierten Zeitversatz ε verwendet. Das Verfahren zur Taktsynchronisation ist rückkopplungsfrei und bekannt (K. Schmidt: Digitale Taktrückgewinnung für bandbreiteneffiziente Mobilfunksysteme, Dissertation, Inst. für Nachrichtentechnik, Darmstadt, Dez. 1993 und Oerder: Algorithmen zur digitalen Taktsynchronisation bei Datenübertragung, Lehrstuhl für Elektrische Regelungstechnik, Aachen, 1989). Anschließend wird die geschätzte zeitliche Verschiebung ε ∧Ts (das Dach wird generell bei Schätzwerten verwendet) durch ein Interpolationsfilter wieder rückgängig gemacht. Anschließend wird eine Unterabtastung um den Oversampling-Faktor ov gemacht und es entseht in der Folge rv die noch phasengedrehten Symbole. Grundlegende Betrachtungen zur Kompensation können in (K. Schmidt: "Digitale Taktrückgewinnung für bandbreiteneffiziente Mobilfunksysteme", Dissertation, Inst. für Nachrichtentechnik, Darmstadt, Dez. 1993 und Kammeyer: "Nachrichtenübertragung", Teubner-Verlag, Stuttgart, 1992) nachgelesen werden.The sequence x v in FIG. 4 is used to estimate the clock phase from the unknown standardized time offset ε. The clock synchronization method is feedback-free and known (K. Schmidt: Digital clock recovery for bandwidth-efficient mobile radio systems, dissertation, Inst. For communications engineering, Darmstadt, Dec. 1993 and Oerder: Algorithms for digital clock synchronization for data transmission, Chair of Electrical Control, Aachen, 1989) . The estimated time shift ε ∧ T s (the roof is generally used for estimates) is then reversed by an interpolation filter. Subsequently, an oversampling by the oversampling factor ov is made and the symbols r still appear in the sequence r v . Basic considerations on compensation can be found in (K. Schmidt: "Digital Clock Recovery for Bandwidth-Efficient Mobile Radio Systems", Dissertation, Inst. For Communication Technology, Darmstadt, Dec. 1993 and Kammeyer: "News Transmission", Teubner-Verlag, Stuttgart, 1992).
Den Ausgangspunkt bildet die Maximum-Likelihood-Funktion gemäß GI.(1)
welche durch Variation des Versuchsparameters
Zuerst wird der erste Therm in GI.(1) vereinfacht und erhält GI.(2) Beim zweiten Therm in GI.(1) ist die Random-Folge av nicht bekannt, weshalb auch der Erwartungswert bzgl. dieser Folge gebildet werden muß: Durch Ausnutzung der statistischen Unabhängigkeit der Symbole av ergibt sich weiterhin Im folgenden wird von einem Störabstand Es /N 0>>1 ausgegangen. Dann läßt sich beim tatsächlichen Frequenz- und Phasenversatz GI.(3) durch annähern. Da die Random-Folge av nicht bekannt ist, wird der Schätzwert |a ∧v | verwendet. Man beachte, daß nicht das Symbol, sondern nur dessen Betrag geschätzt werden muß. Folglich ist hierfür keine Frequenz- und Phasensynchronisation notwendig. Durch Einsetzen der GIn.(2,4) in GI.(1) und anschließender Logarithmierung erhält man die Log-Likelihood-Funktion Um bei den beiden Thermen gleiche Summationsgrenzen zu bekommen, wird zur Vereinfachung auf der rechten Seite von GI.(5) zusätzlich mit der von den Schätzparametern unabhängige Konstante erweitert und erhält damit die Log-Likelihood-Funktion nach GI.(6) Veranschaulichung: Der erste Therm in GI.(6) beschreibt eine Korrelation zwischen der frequenz-und phasenkompensierten Empfangsfolge mit der konjugiert komplexen Sync-Sequenz und der zweite Therm kann als Maßnahme zur Störbefreiung betrachtet werden. Das läßt sich einfach verstehen, wenn man von einer fehlerfreien Schätzung von |a ∧v | ausgeht. Dann kann die Näherung in GI.(6) eingesetzt werden und erhält bei exakter Frequenz- und Phasenkompensation First, the first therm in GI. (1) is simplified and given GI. ( 2 ) The random sequence a v is not known for the second therm in Eq. (1), which is why the expected value for this sequence must also be formed: By using the statistical independence of the symbols a v, the result is still In the following, a signal-to-noise ratio E s / N 0 >> 1 is assumed. Then GI. (3) can be used for the actual frequency and phase offset approach. Since the random sequence a v is not known, the estimated value | a ∧ v | used. Note that it is not the symbol that needs to be estimated but only its amount. Consequently, no frequency and phase synchronization is necessary for this. The log-likelihood function is obtained by inserting the GIn. (2,4) in GI. (1) and subsequent logarithmization To get the same summation limits for the two thermal baths, for simplification, on the right-hand side of GI. (5), the constant independent of the estimation parameters is used expands and thus receives the log likelihood function according to GI. ( 6 ) Illustration: The first therm in Eq. (6) describes a correlation between the frequency- and phase-compensated reception sequence with the conjugate complex sync sequence and the second therm can be seen as a measure to eliminate interference. This can be easily understood if one assumes an error-free estimate of | a ∧ v | going out. Then the approximation in Eq. (6) and receives with exact frequency and phase compensation
Folglich ergibt sich zum Sync-Zeitpunkt
Allerdings ist die zu maximierende Log-Likelihood-Funktion in GI.(6) noch von dem Frequenz-und Phasenversatz abhängig. Die nachfolgenden Näherungen haben deshalb zum Ziel, diese Abhängigkeiten zu eleminieren. Dazu wird die Log-Likelihood-Funktion in GI.(6) beim tatsächlichen Frequenz- und Phasenversatz betrachtet. Durch Vertauschung von Summen- und Realteilbildung erhält man However, the log likelihood function to be maximized in Eq. (6) is still dependent on the frequency and phase offset. The following approximations therefore aim to eliminate these dependencies. For this purpose, the log likelihood function in GI. (6) is considered for the actual frequency and phase offset. By swapping totals and real parts, you get
Zum Sync-Zeitpunkt sind die inneren Produkte des ersten Thermes bei Vemachlässigung der Störung exakt reell, so daß die Näherung gemacht werden kann und damit die Log-Likelihood-Funktion unabhängig vom Phasenversatz wird. Um den Frequenzversatz analytsich schätzen zu können, werden durch eine weitere Näherung die beiden Therme in GI.(7) quadriert und erhält At the time of sync, the inner products of the first therm are exactly real if the disturbance is neglected, so that the approximation can be made and thus the log likelihood function is independent of the phase shift. In order to be able to estimate the frequency offset by analysis, a further approximation squares and maintains the two thermal baths in Eq. (7)
Durch Substitution der Indices erhält man schließlich By substituting the indices you finally get
Zwecks kürzerer Schreibweise wurde der zweite Therm trotz Reellwertigkeit auch in die
Realteilklammer genommen. Man sieht, daß in der ersten Zeile mit α = 0 eine Korrelation der
Symbolenergien gemacht wird, was für MPSK nicht brauchbar ist. Der α = 1 Summand besitzt den
Vorteil, daß der Schätzbereich des Frequenzbereiches maximal ist und außerdem analytisch
bestimmt werden kann, wie sich nachfolgend zeigen wird. Deshalb wird in der weiteren Betrachtung
nur der
Man beachte, daß nur noch S - 1 Summationen auftreten. Mit den Definitionen nach GI.(8) erhält man Note that only S -1 summations occur. With the definitions according to GI. (8) you get
Die differentielle Dekodierung der Empfangsfolge wird in Fig. 6 gezeigt. Man beachte, daß die Folge syncv zwar bei v = 0 beginnt, die differentielle Folgen dsyncv aufgrund der Verzögerung um eine Symbolperiode (siehe GI.(9)) erst bei v = 1 beginnt. Diese Einschränkung gilt bei dem nachfolgenden Algorithmus aber nicht, wenn es sich bei av um eine differentiell codierte Folge handelt, weil dann dsync 0 bekannt ist. Dieser Sachverhalt wird nochmals in Fig. 7 veranschaulicht. The differential decoding of the receive sequence is shown in FIG. 6 . Note that although the sequence sync v begins at v = 0, the differential sequences dsync v only start at v = 1 due to the delay of one symbol period (see Eq. (9)). However, this restriction does not apply to the following algorithm if a v is a differentially coded sequence, because then dsync 0 is known. This fact is illustrated again in FIG. 7 .
Damit läßt sich die Maximierung der Log-Likelihood-Funktion in GI.(9) durch zwei kaskadierte
Maximierungen vereinfachen: Zuerst wird die Maximierung bzgl. µ ∼ durchgeführt. Man sieht, daß die
konstante Phase durch den Frequenzversatz im ersten Therm bei
Bei großem Störabstand reicht die alleinige Auswertung des 1.Thermes aus, weil dann der durch den 2.Therm erzielte Störabstandsgewinn von ca. 3 dB nicht notwendig ist.In the case of a large signal-to-noise ratio, the sole evaluation of the 1st thermal is sufficient, because then the 2.Therm gained about 3 dB is not necessary.
Wie bereits am Anfang erwähnt, gilt die Vorschrift in GI.(10) auch für die nicht timingkompensierte
Folge. Dann muß anstelle der Folge rv die Folge xov·v +λ mit
Möchte man einen möglichst genauen Frequenzschätzwert erhalten, sollte die nachfolgend beschriebene Frequenzschätzung nicht mit Hilfe von xv , sondern mit rv durchgeführt werden. Der Frequenzschätzwert ergibt sich bei geschätztem µ ∧ aus GI.(9): Die Log-Likelihood-Funktion wird dann maximal, wenn der Realteilausdruck von GI.(9) rein reell und positiv ist. Somit ergibt sich der Frequenzschätzwert durch GI.(11) mit korr(µ ∧) von GI.(9). Man beachte, daß der zu schätzende Frequenzversatz sowohl positiv als auch negativ sein kann. Folglich darf das Argument in GI.(11) im Sinne einer eindeutigen Bestimmung die Phase π nicht überschreiten. Damit erhält man den theoretisch zulässigen Frequenzversatz von If you want to get the most accurate possible frequency estimate, the frequency estimate described below should not be carried out with x v , but with r v . The estimated frequency value results from an estimated µ ∧ from GI. (9): The log-likelihood function becomes maximum if the real part expression of GI. (9) is purely real and positive. Thus, the frequency estimate results from GI. ( 11 ) with corr (µ ∧) from GI. (9). Note that the frequency offset to be estimated can be both positive and negative. Consequently, the argument in Eq. (11) in the sense of a clear determination must not exceed phase π. This gives the theoretically permissible frequency offset of
Eine anderere Herleitung erhält man aus der Überlegung, daß das Abtasttheorem bei einem
Sample/Symbolperiode nur für Drehzeiger erfüllt wird, deren Frequenz kleiner als die halbe
Symbolfrequenz ist.
Da der zulässige Frequenzversatz bei den Non-Data-Aided Verfahren kleiner ist (z.B. bei MQAM um
den Faktor vier), ist damit durch die Grobschätzung nach GI.(11) ein größerer Frequenzversatz
zwischen Sender und Empfänger zulässig.Another derivation is obtained from the consideration that the sampling theorem for a sample / symbol period is only fulfilled for rotary pointers whose frequency is less than half the symbol frequency.
Since the permissible frequency offset in the non-data-aided process is smaller (e.g. by a factor of four in the case of MQAM), a rough frequency offset between the transmitter and receiver is permissible due to the rough estimate according to GI.
Aufgrund der durchgeführten Näherungen handelt es sich in GI.(11) nicht um den optimalen
Schätzwert. Alternativ kann dennoch der Maximum-Likelihood-Schätzer für Modulationsverfahren mit
Der Gewinn durch die optimale Schätzung nach GI.(12) nimmt mit steigender Sync-Länge S zu. Bei S = 21 wird beispielsweise die Standardabweichung des Schätzfehlers um den Faktor 2 reduziert.The gain from the optimal estimate according to Eq. (12) increases with increasing sync length S. With S = 21, for example, the standard deviation of the estimation error is reduced by a factor of 2.
Falls die Varianz des Schätzfehlers durch eine Syncfolge zu groß ist, besteht außerdem die Möglichkeit, die Fehlervarianz durch Filterung (z.B. Kalman-Filter) der einzelnen Frequenzschätzwerte zu reduzieren. Empfehlenswert ist aus dem oben beschriebenen Gründen eine planare Filterung der Gesamtzeiger der einzelnen Frequenzschätzwerte mit anschließender normierter Argumentbildung.If the variance of the estimation error due to a sync sequence is too large, there is also Possibility of filtering the error variance (e.g. Kalman filter) of the individual frequency estimates to reduce. For the reasons described above, planar filtering of the Total pointer of the individual frequency estimates with subsequent standardized argument formation.
Wie groß ist der Störabstandsverlust gegenüber der Rahmensynchronisation mit vorheriger Frequenz-und Phasenkompensation mit der Synchronisationsvorschrift nach GI.(6)? Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß anstelle der Folge rv die differentiell dekodierte Folge drv verwendet wird. Mit ergibt sich bei der differentiell dekodierten Folge How large is the signal-to-noise ratio loss compared to frame synchronization with previous frequency and phase compensation using the synchronization rule according to GI. (6)? The main difference is that instead of the sequence r v, the differentially decoded sequence dr v is used. With results from the differentially decoded sequence
Das Kreuzprodukt das Rauschfolge kann bei großem Störabstand vernachlässigt werden. Man sieht,
daß die Störung dnv ebenso wie nv unkorreliert ist. Geht man von dem Modulationsverfahren MPSK
mit
Da die benachbarten Samples der Rauschfolge nv unkorreliert sind, erhöht sich damit bei MPSK die Rauschvarianz um den Faktor 2, was einem Störababstandsverlust von 3 dB entspricht. Da die Performance der Rahmensynchronisation im wesentlichen von dem Verhältnis von Energie der Syncfolge zur Rauschleistungsdichte gemäß Esync /N 0 abhängt und i.a. groß ist, stellt dieser Verlust nur bei Übertragungsstrecken mit extrem niedrigen Störabstand und kurzer Sync-Folge ein Problem dar.Since the neighboring samples of the noise sequence n v are uncorrelated, the noise variance in MPSK increases by a factor of 2, which corresponds to a signal-to-noise ratio loss of 3 dB. Since the performance of the frame synchronization essentially depends on the ratio of the energy of the sync sequence to the noise power density according to E sync / N 0 and is generally large, this loss is only a problem for transmission links with an extremely low signal-to-noise ratio and a short sync sequence.
In Fig. 8 werden nochmals die wesentlichen Schritte der Rahmensynchronisation und Frequenzschätzung gezeigt.The essential steps of frame synchronization and frequency estimation are shown again in FIG .
Zur Demonstration der Leistungsfähigkeit wird in Fig. 9 eine Monte-Carlo-Simulation zur
Rahmensynchronisation einer π/4-DQPSK-Übertagung mit Wurzel-Nyquist Sende- und
Empfangsfilter mit einem Roll-Off-Faktor von r = 0.35 gezeigt. In dieser Fig. wird das Augenmuster
des Korrelationsthermes in GI.(10) gezeigt, d.h. durch das Weglassen des 2.Thermes handelt es sich
hier nicht einmal um die optimale Methode. Als Sync-Folge wurde die Extended-Trainings-Sequenz
vom TETRA-Mobilfunk mit S = 15 Symbolen verwendet. Die Rahmensynchronisation wurde durch die
nicht timingkompensierte Folge xv durchgeführt. Weiterhin wurden folgende Paramter eingestellt:
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